孤立子内波对小直径圆柱形桩柱的作用力初探

孤立子内波在传播过程中所产生的突发性强流对海洋工程、石油钻井平台等会造成严重的破坏。本文引入了Morison的经验方法、模态分离法来估算孤立子内波对小直径圆柱形桩柱作用力。在计算中所保留的模态数目对所得的解有一定的影响 ;所得的解的精度还取决于观测资料的数量 ;

南海北部孤立子内波的研究进展

孤立子内波是由内潮在特殊地形条件下所激发的存在于密度跃层中的大振幅波动。而在其传播过程中产生的扰动可导致海面海水强烈辐聚和突发性的强流 (波致流 ) ,对海洋工程、石油钻井平台和海底石油管道会造成严重的威胁。介绍了国际上研究海洋中孤立子内波的动态 ;描述了南海北部存在的孤立子内波现象 ,讨论了目前南海孤立子内波研究中存在的一些问题 ,进而提出了今后开展进一步研究的思路。

南海北部孤立子内波生成条件的初步数值研究

1 南海北部孤立子内波简介 南海北部是一个孤立子内波活动频繁的海域,早在20世纪70年代,Fett等就从卫星图片中发现在东沙群岛附近存在着孤立子内波;近年来,在该海域又多次观测到孤立子内波的活动(图1);在1998年5～6月期间,中国科学院南海海洋研究所的“实验三号”科学考察船执行“南海季风实验”计划在南海北部东沙群岛以南进行定点观测时。

孤立子内波存在下的声传播仿真研究

孤立子内波会对声传播产生巨大的影响,基于有限元方法利用COMSOL软件对孤立子内波影响下的声学问题进行求解,仿真研究.首先建立了孤立子内波模型,通过仿真分析了孤立子内波对声场的影响.结果显示,孤立子内波会影响声线的传播轨迹和传播损失,可使声场能量分布更均匀.孤立子内波还会对声矢量场产生影响,使水平质点振速传播损失减小,使垂向质点振速略微增加.

南中国海海域存在孤立子内波条件下的声场统计特性

利用南中国海浅海海域低频声传播起伏实验中获取的水文数据,结合二维平流模型重构出声传播路径上的动态声速场,使用蒙特卡洛方法研究了有无孤立子内波经过时声传播路径上的声传播损失统计特性,并与实验结果进行了对比分析。仿真和实验结果表明:当孤立子内波经过声传播路径时,声传播损失起伏剧烈;与“下发上收”相比,“下发下收”情况下传播损失的概率分布更加分散。

浅海中孤立子内波引起的声能量起伏

当孤立子内波的波阵面与声传播路径所成角度较大时,简正波耦合是导致声信号起伏的主要因素。研究了浅海中孤立子内波引起的声能量起伏规律,给出声场起伏的耦合简正波表达式,并使用抛物方程模型进行仿真。数值分析表明,接收点声强随时间变化呈准周期性。在频谱图中能够得到声强起伏的主导频率,主导频率与孤立子内波沿声传播路径的移动速度成正比,与无扰动波导中简正波在距离上的干涉周期(对应于射线理论中临界声线的跨度)成反比,与孤立子内波的形状无关。此外,对声强频谱的垂直结构进行了分析,该结构与对声场起伏起主要作用简正波的本征函数相关。

南海北部孤立子内波的一些特征和演

根据１９９８年６月 １４日在南海北部的一次孤立子内波的实测资料，分析它的可能源地，并计算出其相速度、波长等一些特征参数；基于对内波的垂直模态的分析，探讨了该孤立子内波在传播过程中所产生的波致流的特点；利用多因子作用下的规则化长波（ＲＬＷ）方程数值模式，以观测得到的环境参数作为初始条件，模拟了该孤立子内波在南海北部陆架区的传播和演变．

南中国海存在孤立子内波条件下的声场时间相关半径

在动态的海洋环境中,由于数据向量和拷贝场之间的失配,匹配场处理器的性能会发生退化。数据向量的时间相关半径是这种退化的一种量度。通过2001年ASIAEX南海实验中垂直阵上水听器接收到的声场数据求取了400 Hz窄带信号的声场时间相关。从实验数据处理结果观察到,伴随着传播路径上非线性内波的进入,声场的时间相关半径减小。同时利用一个二维的平流冻结海洋模型和传播路径上三个温度链的温度数据对声场进行了数值仿真,分析了不同频率下的声场时间相关半径。结果表明:实验结果与仿真的400 Hz信号的声场时间相关较为一致。可见,在时变的海洋环境下,声信道中存在孤立子内波将会使声场的时间相关半径大大缩短。

孤立子内波引起的高号简正波到达时间起伏

在新泽西附近海域进行的浅海实验(SW'06)观测到了大量的孤立子内波。利用SW'06海洋环境资料分析了有无孤立子内波存在时的脉冲声到达时间起伏。发现当孤立子内波出现时,1号简正波到达时间较为稳定,而一些高号简正波到达时间比第1号简正波提前,且随着温跃层深度变化而起伏。经射线理论分析表明:由于孤立子内波出现,导致温跃层深度下降,进而引起满足一定掠射角条件的高号简正波将主要在温跃层上传播。这类高号简正波到达时间对孤立子内波活动敏感,有可能被用来监测浅海中的孤立子内波。

耦合微扰简正波方法与孤立子内波

水平变化环境下声场简正波解的计算精度和效率取决于本地简正波的计算方法。提出一种完备的一阶微扰理论方法,并引入迭代算法,获得了本地简正波水平波数和本征函数的精确表达式。数值结果表明,改进后的微扰简正波方法得到的简正波水平波数和本征函数精度比前人方法更高,与KRAKENC计算结果吻合较好,而计算速度比KRAKENC快100倍。同时将微扰简正波方法与耦合简正波理论结合,应用到海水声速水平变化剧烈的孤立子内波群环境。数值结果表明,该方法计算得到的传播损失与COUPLE07在单次散射近似下的计算结果吻合较好,计算速度比COUPLE07快25倍,并将该方法在声场计算中的适用频率提高到了3 kHz。

三维浅海环境下孤立子内波对低频声能流的传播影响

针对三维浅海环境下孤立子内波对低频声信号传播特性的影响问题,基于Oxyz坐标系下的三维浅海低频声场有限元计算方法,以声能流为研究对象,仿真分析了内波存在对低频声信号传播特性的影响规律。研究结果表明:受内波影响,在xOz平面,声能流垂直分量的传播偏转角度呈现周期性的起伏规律;随着声源深度的增加,内波对声能流偏转角度的影响深度也随之增加。对xOy平面,当声源位于温跃层以上时,随着接收深度的增加,各深度平面上声能流水平分量的偏转角越大;随着声源深度的增加,内波对各深度平面上声能流的影响逐渐减弱。

大陆坡内波环境中声传播模态耦合及强度起伏特征

大陆坡海域内波普遍存在,其陆坡地形和内波过程都会引起显著的声场起伏.已有研究工作主要关注内波或大陆坡单扰动因子对模态耦合和强度起伏的影响,少见将内波和海底地形起伏同时作为影响因子进行研究.文章考虑孤立子内波和海底地形对声传播的双重影响,首先构建海洋波导模型,然后基于简正波理论数值对比分析各波导模型条件下模态的耦合规律,进而研究声场强度起伏特性及其物理机理.研究结果表明,当声波朝向或远离内波中心传播时,模态耦合在内波与大陆坡的共同作用下出现耦合增强或衰减,高号模态耦合系数振荡;内波扰动的作用使得能量由低号模态耦合至高号模态,提高了声场强度衰减;斜坡的作用使得声波下坡传播时,波导模态数增加、模态强度衰减降低;大陆坡内波环境中的模态强度总和大于内波环境、小于大陆坡环境,且模态组间的能量转移比只有内波或者大陆坡时更强,高号模态从耦合中获得更多能量,使得跃层以上水层能量增强.

浅海内波环境下声场时间相关特性

浅海内波是导致声场时间相关半径减小的一个重要原因。利用2015年南中国海声传播起伏实验,对比分析了线性内波以及孤立子内波环境下声场时间相关半径的统计特性。实验数据(175∼225 Hz)表明,大振幅孤立子内波的存在极大地降低了声场的时间相关半径,声场时间相关半径从线性内波环境下的1∼3 h,降低为孤立子内波环境下的小于20 min。利用RAM程序仿真模拟了内波环境下的声场时间相关半径,理论预报结果与实验结果相符。

基于海洋内波动力学模型的多波束测深影响研究

基于海洋内波特征及动力学模型,分析了海洋内波对多波束测深精度的影响,分别从声速跃层垂直位移、声速跃层倾斜角度、航向方位角以及海底深度4个维度分析多波束测深中海洋内波的影响;针对不同因素影响机理,分析内波影响下的海底地形变化特点及测深误差分布,用以准确判断实测海底地形是否受内波影响,从而改善多波束测深精度.

侧边界对内长波传播影响的数值模拟

利用修正的非线性水平二维Lynett—Liu内长波数值模式,模拟了小振幅孤立子内波进出水道口的传播过程,及其穿过狭窄水道的衍射过程。通过分析孤立子内波垂向波形和水平二维纹理图像随水道口的形状及开阔水域宽度的变化,研究了侧边界对孤立子内波传播所产生的影响,并与卫星遥感图片进行了对比。

浅海中内波对匹配场时间相关的影响

利用一次夏季浅海水文实验资料,数值仿真研究有线性内波和孤立子内波存在条件下的匹配场时间相关性。考察和总结了有内波存在时不同声源频率、声源深度和内波幅度等参数对匹配场时间相关的影响。研究结果表明:由于内波与声场的相互作用,匹配场时间相关长度会随着线性内波的平均能流密度及孤立子内波幅度的增大而减小;频率越高,声波穿过内波场时的匹配场时间相关下降的越快;声源位于跃层下时的匹配场时间相关明显的优于跃层上的情况;孤立子内波距声源的位置对匹配场时间相关影响相对较小。

分层流风波水槽中基于线阵CCD水面影像反演内孤立波的实验研究

在大型重力式分层流风波水槽系统中,利用风生波原理模拟水面随机小尺度波场,采用重力塌陷方式产生大振幅孤立子内波,通过线阵CCD影像记录其传播过程中引起的水面小尺度波结构变化,分析孤立子内波对水面短重力波及毛细(重力)波的影响规律,建立线阵CCD图像灰度特征与内波要素特征的关系,进而由水面波场变化反演出水下孤立子内波的特征结构.实验结果证实了本文方法的有效性,也为实际利用海面粗糙度及海水层化特性遥感海水内部动力学研究提供了新的途径.